Thực vật có thể làm thay đổi thiết kế pin mặt trời thế hệ mới?

Các tấm pin năng lượng mặt trời hoạt động tuyệt vời trong điều kiện ánh sáng đầy đủ nhưng rất nhiều vùng đất lại có ít khi có nắng, điều đó dẫn tới việc ít năng lượng được tạo ra so với mức cần thiết. Hiện tại, các nhà nghiên cứu tại trường Đại học Tufts, Mỹ vừa khám phá ra một giống cây lan gấm, vốn phát triển trong điều kiện thiếu ánh sáng, có thể đưa đến giải pháp cho vấn đề này.

Trong một nghiên cứu được công bố trên tạp chí Advanced Optical Materials, do Giulia Guidetti và Fiorenzo Omenetto của trường Kỹ thuật thuộc Đại học Tufts, cho biết các lá của loài lan gấm Macodes petola được tạo ra từ các tế bào dạng vòm, cho phép chúng hấp thụ được lượng ánh sáng nhiều hơn gấp ba lần so với các cây có tế bào thông thường. Ngoài ra, chúng còn có thể chia sẻ ánh sáng thu được với các tế bào lân cận bởi về cơ bản chúng hoạt động như một mạng lưới quang học kết nối với nhau.

Câu chuyện bắt đầu khi Guidetti bị thu hút bởi loài cây với lá sáng bóng như kim loại. “Tôi đặt chúng dưới kính hiển vi và thấy rằng bề mặt lá cây không phẳng như những lá cây thông thường khác, chúng có một mẫu hình vi mô”, cô chia sẻ. 

Thực vật chuyển hóa ánh sáng Mặt trời thành glucose, một dạng năng lượng giúp duy trì mọi sự sống trên Trái đất. Tế bào biểu bì hay “da” của thực vật có nhiệm vụ hấp thụ ánh sáng. Nhiều báo cáo về thực vật học đã ghi nhận hình dạng nón của các tế bào trong một vài loài lan gấm, gợi ý rằng chúng có thể cải thiện tính hiệu quả của việc tập trung ánh sáng nhằm tối đa sự chuyển hóa năng lượng, điều cần thiết cho loài thực vật tồn tại trong điều kiện ít ánh nắng. Tuy nhiên, Guidetti và Omenetto cho rằng các nhà nghiên cứu khác đã không chú ý đến việc hình dạng của tế bào và cách chúng sắp xếp với nhau có thể ảnh hưởng đến khả năng quang hợp năng lượng ánh sáng.

Quan sát kĩ loài lan gấm Macodes petola, họ tìm thấy các tế bào bề mặt không phẳng hay có dạng nón như ở nhiều loài cây khác mà giống dạng vòm hơn.“Hình dạng vòm về cơ bản cho phép ánh sáng phân tán bề mặt của lá, giúp các tế bào không được chiếu sáng trực tiếp cũng có thể quang hợp, dẫn đến hiệu suất chuyển đổi quang năng tổng thể tốt hơn”, Guidetti cho biết.

Sau khi phân loại các tế bào bề mặt, mối liên hệ và các biến thể, các nhà nghiên cứu quyết định sao chép chúng. Họ áp một lớp mỏng silicon polymer lên bề mặt của lá, hình thành một âm bản của lá. Sau đó họ đổ một loại vật liệu sinh học từ protein tơ tằm, một vật liệu có khả năng bắt chước khả năng hấp thụ ánh sáng và kết nối quang học. Bản sao chép chuẩn hình dạng của các mô tế bào lá cây được tạo ra.

Phiên bản lá cây làm từ tơ “tái tạo trung thực” hình dạng tròn của tế bào thực vật cùng với cách sắp xếp theo hình lục giác của chúng, “phản ứng chéo giữa các tế bào gần nhau khi được chiếu sáng cũng tương tự như phản ứng quan sát thấy ở tế bào của lá cây thực,” các nhà nghiên cứu viết.

Guidetti và Omenetto thêm thuốc nhuộm vào vật liệu tơ sử dụng trong các bản sao của lá cây, cho phép họ lần theo ánh sáng khi chúng di chuyển từ tế bào này qua tế bào khác. Vật liệu sinh học này cũng bắt chước các đường cong và độ mềm của lá, thứ đặc tính giúp tiếp cận ánh sáng và phân phối ánh sáng ra toàn bộ chiếc lá tốt hơn.

Guidetti và Omenetto viết “Những mạng lưới quang học sống dựa trên thực vật như vậy có thể là nguồn cảm hứng cho việc thiết kế các vật liệu chức năng có khả năng thu nhận, điều khiển và xử lý ánh sáng một cách hiệu quả với các dạng vật liệu mềm, linh hoạt và bền vững, như đã được chứng minh sơ bộ bằng cách tái tạo cấu trúc sống của lá cây”.

Omenetto cho rằng các tấm pin năng lượng mặt trời từ vật liệu này “sẽ vượt xa các tấm pin mặt trời hiện nay”.

Họ đang lên kế hoạch thí nghiệm để tìm hiểu xem liệu sự thay đổi điều kiện ánh sáng mà loài lan gấm sinh sống có thể thay đổi cách hoạt động của mạng lưới quang học chia sẻ ánh sáng hay không.□

Hương Giang lược dịch

Nguồn: https://techxplore.com/news/2024-08-generation-solar-panels.html

Bài đăng Tia Sáng số 16/2024